生态透水坝的研究与设计

生态透水坝的研究与设计摘要；在污水处理研究领域，人们不断地开发出新的技术和方法，而要使这些技术不断地完善和趋于成熟，还需后来者的努力。生态透水坝是生态修复领域里还不成熟的技术，鉴于此，本文总结了前人对生态透水坝的研究成果，并在此基础上总结了生态透水坝在应用中所遇到的问题，针对如何解决这些问题，笔者尝试着设计了一种生态透水坝，在此详细介绍了生态透水坝设计流程。生态透水坝有很大应用价值，值得去开发利用。关键词：生态透水坝；面源污染；前置库；渗透系数；滤料ResearchanddesignoftheecologicalpermeabledamAbstract:Intheresearchfieldofwastewatertreatment.Peoplecontinuetodevelopnewtechnologyandmethod.Tomakethesetechnologiescontinuetoimproveandmature.Alsolaterefforts.Ecologicalpermeabledamisstillnotmaturetechnologyinthefieldofecologicalrestoration.Inviewofthis,thispapersummarizestheresultsofpreviousstudiesontheecologicalpermeabledam.Basedonthesummaryofecologicalpermeabledam,theproblemsintheapplicationof.Inordertosolvetheseproblems.Theauthortriestodesignakindofecologicalpermeabledam.Thispaperintroducesthedesignprocessofecologicalpermeabledam.Ecologicalpermeabledamhasgreatapplicationvalue.Worthyofdevelopmentandutilization.Keywords:ecologicalpermeabledam;non-pointsourcepollution;reservoir;permeabilitycoefficient;filter1引言随着社会对水污染防治的重视，点源污染被有效的遏制，面源污染的严重性被凸现出来。对面源污染的治理，传统的环境工程式的方法所起的作用甚微，而且治理成本巨大，国内外一致采用生态工程上的技术和方法。生态透水坝是从传统水坝演变而来的一种治理面源污染的有效技术，它最早用于构建前置库系统。由于目前对生态透水坝的研究较少，在现实中还不是一项成熟的技术，在生态透水坝的设计与建造过程中，还有很多问题亟待解决，也只有这些问题解决之后，生态透水坝也才能得到推广。生态透水坝并不局限于一种形式，它可以根据具体情况和要求来设计，建造于不同的河道；生态透水坝也不局限于用于前置库系统中，也可以作为一个净水设施单独使用；生态透水坝更不局限只建造于平原的农村地区，还可以建造于城市，解决城市面源污染问题。一个设计成功的生态透水坝，不仅能净化污水，而且美化河道环境，更有一定的生态效应。2生态透水坝的原理简单的来说，生态透水坝就是采用砾石和碎石在被污染的河道中人工垒筑坝体，然后在坝体上配置对水质有净化作用的植物，结合快速渗滤原理和人工湿地原理[1]，对污水进行一定的净化，如图1所示。图1生态透水坝示意图目前，生态透水坝的应用研究更多在于处理农村面源污染，在水力坡降小、河网密集的平原地区，利用水库、湖泊、河道建造生态透水坝，在上游形成一个前置库。所谓前置库，就是利用水库存在的从上游到下游水质浓度变化梯度的特点，根据水库形态，将水库分为一个或若干个子库与主库相连，通过延长水力停留时间，促进水中泥沙及营养盐的沉降，同时利用子库中大型水生植物、藻类等进一步吸收、吸附、拦截营养盐，从而降低进入下一级子库或者主库水中营养盐的含量，抑制主库中藻类过度繁殖，减缓富营养化进程，改善水质[2]。在前置库系统中，生态透水坝控制着水的渗流速度,在上游进行蓄水，使之水位上升到一定的程度，上游水由于水力停留时间增长，水中污染物在物理沉降、自然降解、水生生物吸收、微生物降解的作用下，得以降低，由此净化了水质。除此之外，生态透水坝本身就可以净化水质，其本身净化水质的原理在于物理过滤、植物吸收和微生物降解。2.1物理过滤生态透水坝抬高了上游的水位，使坝上下形成水位差，在此动力下污水从坝前渗透，从坝后流出来。坝体是由特定的填料堆积而成，填料是由各种粒径的砾石按照一定的比例搭配而成，在形状大小各不相同的砾石之间，形成长长的、弯曲的、复杂的孔道。污水渗过坝体时，粒径较大的悬浮颗粒物不能通过孔道，被拦截在坝前，较小的悬浮物被拦截在坝体，水中的TP和其他的一些矿物质经过孔道时，在砾石的吸附作用下被截留。不同材料的填料，不同填料的组合，对污染物的截留作用大小是不一样的，而且跟渗流流速也有一定的关系。胡永定采用石灰岩、石灰岩+煤矸石、石灰岩+砾石分别作为透水坝的材料进行模拟实验，由实验结果分析得：流速越低，透水坝对面源污染物TP、TN、SS去除效果越好，而流速越低时，石灰岩与煤矸石组合材料的透水坝对TP、TN去除效果最好，石灰岩与砾石组合材料的透水坝对SS去除效果最好[3]。2.2植物吸收生态透水坝的表面种有植物，坝前和坝后种植有净水作用的挺水植物、沉水植物、浮叶植物，坝顶种湿生植物。对水中氮磷具有较好吸收作用的挺水植物有芦苇、水生美人蕉、慈姑、泽苔、千屈菜、香蒲等[4]，沉水植物有狐尾藻、金鱼藻、苦草等，浮叶植物植物有荇菜、芡实等。坝顶可以种柳树、鸢尾、草等根系发达的植物。由于生态透水坝的表面种有各种植物，植物的发达根系伸入坝体，与坝体填料缠绕在一起，形成网膜，增加坝体的稳定性，拦截水中污染物。更重要的是，当污水在坝体渗透时，水中的氮磷及一些重金属污染物，就会被植物的根系所吸收，当这些植物被收割和妥善处理后，这些污染物就会被彻底带离水体。2.3微生物降解污水中含有很多对水中污染物具有降解作用的微生物，当污水在坝体渗透时，这些微生物会被截留在坝体填料的孔道中和植物的根系上，这样，填料、根系、微生物就形成了一层对污水有强大净化作用的生物膜。在这个生物膜中，一部分氧来自水中溶解氧，一部分来自植物根毛的释放，这样，有根的地方氧充足，没根的地方氧贫瘠，由于氧的分配不均，形成富氧区、贫氧区和缺氧区，生活环境的多样性使得存在坝体内的微生物种类和数量众多，同化异化作用活跃。在这样的条件下，污水中的有机物得以被充分分解，释放其中的氮磷等元素，氮磷被植物根系吸收，磷还可以被微生物富集，氮还可以经过硝化和反硝化作用形成氮气和氧化氮而被彻底消除[5]。3生态透水坝概述水坝是拦截江河渠道水流以抬高水位或调节流量的挡水建筑物，自古以来，用于防洪、供水、灌溉，如今也用于水力发电、改善航运。由于水坝抬高上游水位，使上下游产生水位差，形成水头，在这一水头的作用下，水坝及其地基中将产生从水头高的一面向水位低的一面的渗流，在现实中，渗流会对水坝产生不利的影响。根据达西定律，当渗流面积和水头变化一定时，渗流量的大小有渗透系数决定，渗透系数与建坝材料的种类、级配、密实度等因数有关，透水坝就是利用这些因数来控制水坝的渗透系数，进而控制调节渗流量。后来，环境工程师发现透水坝除了渗透系数来控制径流，还可以净化污水，于是对其稍加改进，在其物理过滤的基础上引入植物和微生物净水原理，称其为生态透水坝。3.1现有的研究生态透水坝技术由张永春等于2004年12月10日在专利《平原河网地区面源污染强化净化前置库系统》中首次提出[6]，而后田猛等于2006年10月在《用于控制太湖流域农村面源污染的透水坝技术试验研究》介绍了透水坝技术在江苏省宜兴市普难村厚和读河中的应用[1]，并在专利《一种生态透水坝及其设计与施工方法》详细介绍了生态透水坝的技术方案[7]。而后，杨静等于2010年10月在《生态滤水坝在改善河道水环境中的应用》介绍了生态透水坝技术在淄川樊家窝水库的应用，并介绍了其设计与使用效果[8]。赵双双等于2013年4月在《用于控制面源污染的前置库的结构设计研究》介绍了一种改进的生态透水坝[9]。生态透水坝自提出以后，就不断有人将其用于各种净水系统中，除了田猛等人对其专门研究之外，而后就没有人对其进行专门的研究。其实，生态透水坝不是一个简单的净水设施，要很好地发挥它的功能，还有很多问题需要去研究和解决。3.2应用当中亟需解决的问题根据对目前生态透水坝的应用研究，发现很多问题，这些问题阻碍了生态透水坝的发展，尤其限制了生态透水坝在现实中的应用。笔者对而这些问题进行了总结，大概为以下几个方面：3.2.1.坝体的不稳定。由于生态透水坝是由不同粒径大小的岩石材料堆积而成的，本身不牢固、不稳定，经受不住浪的冲刷，所以生态透水坝只适用于水力坡降小的地区。事实上，生态生态透水坝也只建于河网密集的平原地区，用于对农业面源污染的控制和治理。3.2.2.渗流量的难以把控。根据生态透水坝的工作原理，渗滤量和渗流时间的把控是其关键，渗流量过大，渗流时间过短，对水质的净化效果不明显，渗流量过小，渗流时间过长，会造成上游水位不断上涨，造成漫坝，特别是暴雨的时候，会破坏生态透水坝，若坝高设置不合理，甚至还会淹了农田和民居，造成财产损失。生态透水坝的渗流量也不是一直不变的，由于淤堵，会随着透水坝使用时间的增长而变小。3.2.3.淤堵的影响。无论是生态透水坝还是人工湿地，凡是应用净水介质、净水填料来净水的水工设施，淤堵都是其不可避免的问题，淤堵会降低渗流量，会使其丧失净水功能。由于淤堵的存在，生态透水坝也有一个有效期，目前有很多人工湿地方面的专家都在研究怎样解决淤堵这个问题，但还没有一个好的解决方法。2013年4月赵双双等为了解决生态透水坝淤堵这个问题，提出用半透水槽技术来集中过滤污水，有效期过后，再更换净水介质[9]。3.2.4.管涌的影响。管涌是在渗流过程中，土体的化合物不断溶解，细小颗粒在大颗粒间的空隙中移动，形成一条管道通道，最后土粒在渗流逸出冲出的一种现象[10]。在生态透水坝中，管涌现象也是存在的，管涌会造成滤料的流失，增大坝体的孔隙率，增大渗流量，不仅降低其对污水的净化能力，而且还会造成溃坝的事故。3.2.5.渗径的把握。渗径直接决定污水在坝体渗流的时间，而渗流时间决定着污水的净化效果。渗流时间越长，坝体内的微生物群就有更多的时间分解有机物，植物就有更多的时间吸收水中的氮磷等营养元素，出水水质就越高。虽然可以控制渗流速度来控制时间，但受渗流量的控制，渗流速度有最小值，这就只有控制渗径来控制渗流时间，但渗径太大又会影响渗透量。4生态透水坝的设计生态透水坝的设计，一般要经过目的要求——调查——计算——实验——设计。目的要求是要明确建造生态透水坝的目的，包括蓄水、净水、景观、交通、防洪等，主要以其中的一项或几项为主。调查是要弄清当地的水质、地质地形、水文气候、水生植物的状况，以确定要建生态透水坝的长、宽、高，建坝的材料，坝上要种的水生植物；计算是要根据调查所获得的各种参数，计算出渗流量和渗流系数；实验是根据渗透系数，以当地的岩石和土材料，进行滤料配级，实验得出与所需渗透系数相近的滤料。设计就是根据以上所得，设计合适的生态透水坝。4.1一种生态透水坝模型通过总结前人对生态透水坝的研究成果，结合生态透水坝的净水原理，笔者设计了一种生态透水坝，取名为组合式生态透水坝，如图2所示，它不仅强化了其净水的功能，并在一定程度上解决了其发展过程中所遇到的问题。复合式生态透水坝由透水墙将其分为坝前、坝中、坝后，包括坝基座、滤料、生态垫、生态浮床、生物填料、水生植物。坝基座如图3所示，包括防渗层、石笼、透水墙，防渗层是防止水从坝底渗透，损害坝基，石笼是由铁丝网包裹块石做成，石笼与坝基座是固定在一起的，是为了护住坡脚，防止水流冲蚀坝基，同时防止生态垫在